imec 在用于高效 6G 功率放大器的硅基氮化镓（RF GaN-on-Si）晶体管性能上取得突破性成果

世界领先的纳米电子和数字技术研究和创新中心 Imec 为移动应用的射频晶体管性能树立了新标杆。他们推出了一种硅 （Si） 上的氮化镓 （GaN） MOSHEMT（金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管），该晶体管在低电源电压下运行的增强型 （E-mode） 器件实现了创纪录的效率和输出功率。同时，imec 还展示了创纪录的 0.024Ω·MM 的成果，这对于在未来设计中进一步提高输出功率至关重要。该结果标志着将 GaN 技术集成到下一代移动设备中的关键一步，特别是那些针对 7GHz 至 24GHz 之间的 6G FR3 频段的设备。结果将在日本京都举行的 2025 年 VLSI 技术和电路研讨会上展示。

imec 硅基 GaN 晶体管中栅极结构的横截面 TEM 图像。

当今的移动网络主要在 6GHz 以下运行，但为了满足未来 6G 系统的数据速率需求，需要转向更高的频率。在这些频段中，当前基于砷化镓 （GaAs） HBT（异质结双极晶体管）的移动解决方案难以保持性能。它们的效率和增益在 10 到 15GHz 以上会显着下降，导致用户设备电池快速耗尽和能源使用不佳。GaN 因其更高的功率密度和击穿电压而被广泛认为是一种很有前途的替代品。虽然碳化硅 （SiC） 上的 GaN 晶体管在高频基站应用中表现出强大的射频性能，但 SiC 的成本和有限的晶圆可扩展性仍然是移动市场的障碍。

硅是一种更具可扩展性和成本效益的平台，但由于两种材料之间的晶格和热不匹配，在其上构建高效 GaN 晶体管一直具有挑战性，这可能会损害材料质量和器件可靠性。E-mode 设计面临的挑战更大，E-mode 设计因其故障安全作和低功耗而成为移动设备的首选，因为它通常需要减薄栅极下的晶体管屏障和通道。这限制了导通电流并增加了关断状态泄漏，从而更难实现 6G 所需的功率、效率和增益。

Imec 现在展示了一种达到创纪录的 27.8dBm （1W/mm） 的硅基氮化镓增强型 MOSHEMT。输出功率和 66% 的功率附加效率 （PAE） 在 13GHz 和 5V 电压下。结果是在具有 8 指栅极布局的单个器件中获得的，提供了高输出功率所需的栅极宽度，而无需多个晶体管的组合功率。通过将用于将器件切换到 E 模式的栅极凹槽技术与抵消变薄通道的性能损失的 InAlN 屏障层相结合，实现了出色的性能。

在器件开发的同时，imec 展示了创纪录的 0.024Ω·mm 使用再生的 n⁺（In）GaN 层，最大限度地提高电流并最大限度地减少功率损耗。虽然结果是在一个单独的模块中获得的，但它与 E 模式晶体管架构完全兼容。仿真表明，集成该触点模块可以将输出功率密度提高 70%，满足 6G 用户设备的性能目标。

“降低接触电阻对于在保持高效率的同时提高输出功率至关重要，”imec 首席技术人员 Alireza Alian 说。“我们的下一步是将这个接触模块集成到 E 模式晶体管中，并验证预期的功率和效率增益，使该器件更接近实际的 6G 应用。”

图文来源：Imec官网